Điều khiển nhiệt độ lò nhiệt bằng phương pháp PID
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (899.03 KB, 39 trang )
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT
LÒDỤC
NHIỆT
BẰNG
PHƯƠNG PHÁP PID
BỘĐỘ
GIÁO
VÀ ĐÀO
TẠO
ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH
KHOA: ĐIỆN- ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Đề tài : Điều
khiển nhiệt độ lò nhiệt bằng phương pháp
PID
GVHD: Ts. Ngô Văn Thuyên
Tp.Hồ Chí Minh
Tháng 01 năm 2010
PHATTRIENCONGNGHE.COM
Trang 1
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………
PHATTRIENCONGNGHE.COM
Trang 2
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID
Mục Lục
Trang
A. Giới thiệu chung
B.
1.Điều khiển nhiệt độ
4
2. Phương pháp điều khiển PID
4
Nội dung
I.Vi điều khiển PIC 16F877A
4
1.Đặc tính nổi bật của vi điều khiển
C.
2.Khả năng của bộ vi điều khiển này
5
3. Các đặt tính nổi bật của thiết bị ngoại vi trên chip
5
4.Sơ đồ và chức năng các chân Pic 16F877A
6
5.Sơ đồ khối bộ vi điều khiển Pic 16F877A
8
6. Các thanh ghi có chức năng đặc biệt
8
7.Xử lý ADC
13
II.Cảm biến nhiệt độ LM35
15
III.LCD 16x2
16
IV.Phương pháp điều khiển PID
18
V. Giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển.
31
VI.Sơ đồ kết nối phần cứng
34
VII.Lưu đồ giải thuật
35
Kết luận
Phụ lục
1.Chương trình C
PHATTRIENCONGNGHE.COM
Trang 3
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID
A.GIỚI THIỆU CHUNG
1.Điều khiển nhiệt độ
Vấn đề điều khiển và giám sát nhiệt độ được sử dụng trong nhiều lĩnh vực sản
xuất khác nhau như: điều khiển lò ấp trứng gà, vịt của bà con nông dân hay điều
khiển và giám sát nhiệt độ của lò hơi….Điều quan trọng là nhiệt độ phải ổn định
và sự chính xác tương đối.Sử dụng phương pháp điều khiển PID có thể đảm bảo
các tiêu chí về kỹ thuật và kinh tế của nhà sản xuất yêu cầu.
2.Phương pháp PID
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ, những phương
pháp điều khiển thông thường không đủ khả năng đáp ứng những yêu cầu ngày
càng khắt khe hơn của những ứng dụng. Người ta bắt đầu áp dụng nhiều giải thuật
điều khiển khác nhau như giải thuật PID, Fuzzy logic (điều khiển mờ), mạng nơ
ron… và đã thu được những kết quả khả quan.Thuật toán PID được áp dụng rộng
rãi trong hầu hết các hệ thống điều khiển tự động từ cơ, nhiệt, lưu chất đến điện.
PID kết hợp 3 thuật toán tỉ lệ, tích phân, vi phân; là bộ điều khiển không có sai
lệch, khâu I bù và giảm các dao động để loại bỏ sai số dịch chuyển, và giảm thời
gian trễ nhờ khâu D
B.NỘI DUNG :
I.Vi điều khiển PIC 16F877A
1.Đặc tính nổi bật của vi điều khiển
Sử dụng công nghệ tích hợp cao RISC CPU.
Người sử dụng có thể lập trình với 35 câu lệnh đơn giãn.
Tất cả các câu lệnh đều được thực hiện trong một chu kỳ ngoại trừ một số
lệnh rẽ nhánh được thực hiện trong 2 chu kỳ lệnh.
Tốc độ hoạt động là: -Xung đồng hồ vào DC 20MHz.
-Chu kỳ thực hiện trong 200ns.
Bộ nhớ chương trình flash 8Kx 14words.
Bộ nhớ Ram 368x8bytes.
Bộ nhớ EFPROM 256x8 bytes.
PHATTRIENCONGNGHE.COM
Trang 4
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID
2.Khả năng của bộ vi điều khiển này
Khả năng ngắt: lên tới 15 nguồn ngắt trong và ngắt ngoài.
Ngăn nhớ Stack đọc phân chia làm 8 mức.
Truy cập bộ nhớ bằng địa chỉ trực tiếp hoặc giám tiếp
Nguồn khởi động lại (POR).
Bộ tạo xung thời gian(PWRT) và bộ tạo dao động (OST).
Bộ đếm xung thời gian(WDT) với nguồn dao động trên chip nguồn dao
động (RC) hoạt động đáng tin cậy.
Có mạch chương trình bảo vệ.
Phương thức cất giữ SLEEP.
Có bản lưa chọn dao động công nghệ CMOS FLASH/EFPROM nguồn mứa
thấp , tốc độ cao
Thiết kế hoàn toàn tĩnh.
Mạch chương trình nối tiếp có hai chân.
Xử lý đọc/ghi tới bộ nhớ chương trình.
Dải điện thế hoạt động rộng 2V đến 5.5V.
Nguồn sử dụng hiện tại 2.5mA.
Công suất tiêu thụ:
<0.6mA với 5V, 4MHz.
20uA với nguồn 3V , 32KHz
<1uA với nguồn dự phòng.
3. Các đặt tính nổi bật của thiết bị ngoại vi trên chip
Timer0: 8 bit với bộ định thời , bộ đếm với hệ số tỉ lệ trước.
Timer1: 16 bit với bộ định thời , bộ đếm với hệ số tỉ lệ trước, có khả năng
tăng trong khi ở chế độ SLEEP qua xung đồng hồ được cung cấp bên
ngoài.
Timer2: 8 bit với bộ định thời , bộ đếm 8 bit với hệ số tỉ lệ trước , hệ số tỉ lệ
sau.
Có 2 chế độ bắt giữ , so sánh, và điều chế độ rộng xung(PWM).
PHATTRIENCONGNGHE.COM
Trang 5
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID
Chế độ bắt giữ với 16 bit, với tốc độ 12,5ns, chế độ so sánh với 16 bit với
tốc độ xử lý cực đại là 200ns, chế độ điều chế độ rộng xung với 10 bit.
Bộ chuyển đổi tin hiệu số sang tương tự với 10 bit.
Cổng truyền thông nối tiếp SSP và SPI phương thức chủ và I2C ( chủ/phụ).
Bộ truyền nhận thông tin đồng bộ, dị bộ (USART/SCR) có khả năng phát
hiện 9 bit địa chỉ .
Cổng phụ song song PSP với 8 bit mở rộng với RD , WR , CS điều khiển.
4.Sơ đồ và chức năng các chân Pic 16F877A
PHATTRIENCONGNGHE.COM
Trang 6
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID
PHATTRIENCONGNGHE.COM
Trang 7
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID
5.Sơ đồ khối bộ vi điều khiển Pic 16F877A
6. Các thanh ghi có chức năng đặc biệt
a) Thanh ghi trạng thái Status:
- Bit 7_IRP:Làm nhiệm vụ định địa chỉ gián tiếp cho Ram nội RP=1 bank
2 và bank 3 IRP=0 bank 0 và bank 1 (địa chỉ từ 00 -> FFh)
- Bit 6,5_RP1 và PB0: 2 bit này dùng để chọn bank thanh ghi
00 = Bank 0 ; 01 = Bank 1; 10 = Bank 2; 11= Bank 3
- Bit 4_TO (time_out):bit này được set lên 1 khi WDT bị tràn
1 = Chưa tràn ; 0 = Bị tràn
- Bit 3_PD (power_down bit):bit này được set mỗi khi vi điều khiển được
cấp nguồn,bắt đầu chạy,khi Reset… - Bit 2_Z (zero bit):Dùng để chỉ kết
quả ra 0,được set mỗi khi kết quả trả về của 1 phép toán số học hay luận lý
PHATTRIENCONGNGHE.COM
Trang 8
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID
có giá trị bằng 0 - Bit 1_DC (digit carry):được set khi ta trừ số nhỏ hơn cho
số lớn hơn,reset nếu ngược lại. - Bit 0_Carry:bi ảnh hưởng bởi các lệnh
ADDWF, ADDLW, SUBLW, SUBW
b) Thanh ghi điều khiển ngắt (INTCON):
Thanh ghi INTCON được truy xuất bằng cách chọn Bank tương ứng.Nó có
chức năng cho phép ngắt hoặc cấm ngắt và xác định các nguyên nhân ngắt
- Bit 7 _ GIE (global interrup enable bit): Bit cho phép hay không cho
phép ngắt
GIE = 1 cho phép các ngắt thực hiện
GIE = 0 không cho phép ngắt
- Bit 6_EEIE (Eeprom write complete interrup enable bit):bit cho phép
gây ra tại nơi kết thúc của việc viết chương trình con vào Eeprom
- Bit 5_TOIE(TMR0 overfow interrup enable bit):cho phép kích hoạt
ngắt gây ra bởi sự tràn TMR0
- Bit 4_INT (INT internal interrup enable bit):cho phép ngắt xảy ra tại
ngắt ngoài của chân RB0/INT
- Bit 3_RBIE (RB port change interrup enable bit):cho phép ngắt xảy ra
khi có sự thay
đổi trạng thái trên các chân RB4 đến RB7. - Bit
2_T0IF(TMR0 overflow interrup flag bit):cờ báo tràn của TMR0,bit này
được xóa
bằng phần mềm để ngắt tiếp theo xảy ra.
- Bit 1_INTF(INT internal interrup flag bit):Cờ báo xảy ra ngắt ngoài.
- Bit 0_RBIF(RB port change interrup flag bit):bit xác định sự thay đổi
trên chân RB4
đến RB7,bit này được xóa trong chương trình ngắt
PHATTRIENCONGNGHE.COM
Trang 9
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID
Sơ đ ồ k h ố i c ủ a T I M E R 0
- Là một bộ timer 8 bit,giá trị nó tăng từ 0 ->255,sau khi đếm đến 255
tự reset và cho đếm lại. Thời điểm đếm từ 255 về 0, bit TOIF trong
thanh ghi INTCON được set lên 1. Nếu ngắt được xảy ra thì con trỏ
chương trình sẽ nhảy đến chương trình con phục vụ ngắt. Bên cạnh việc
nhận xung nội,giá trị của Timer có thể tăng lên nhờ việc nhận xung từ
bên ngoài qua chân RA4/TOCK1,khi đó Timer hoạt động như một bộ
đếm
- Bit TMR0IE <INTCON_5> là bit điều khiển ngắt của TIMER 0
- Muốn cho TIMER 0 hoạt động ở chế độ timer ta Clear bit
TOCS<option_reg_5>
- Muốn cho TIMER 0 hoạt động ở chế độ counter ta set bit
TOCS<option_reg_5>
Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của TIMER1
PHATTRIENCONGNGHE.COM
Trang 10
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID
- TIMER 1 là bộ định thời 16 bits,cờ ngắt là bit TM1RIF(PIR1<0>)
- TIMER 1 cũng có 2 chế độ hoạt động: timer hoặc counter
<RC0/T1OSO/T1CKI>
- Việc lựa chọn chế độ timer hay counter phụ thuộc vào bit TMR1CS
(T1CON<1>)
- TIMER1 có chức năng Reset Input điều khiển bởi khối
CCP<capture,compare,PWM>
- TIMER1 còn có chức năng đếm đồng bộ hoặc bất đồng bộ điều khiển
bởi bit T1SYNC
Sơ đồ khối và nguyên lý
hoạt động của TIMER2
- Là bộ định thời 8 bit và được hỗ trợ bởi 2 bộ chia tần
Bit cho phép ngắt TMR2ON(t2con<2>), cờ ngắt là bit TMR2IF
(PIR1<1>) .
-Tỉ số chia tần số 1:1,1:4 và 1:16 được điều khiển bởi 2 bit
T2CKPS1: T2CKPS0 <t2con >
- Ngõ ra với 2 mức chia tần 1:1 và 1:16 điều khiển bởi 4 bit
T2OUTPS3: T2OUTPS0
Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của CCP
PHATTRIENCONGNGHE.COM
Trang 11
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID
-
CCP (capture/compare/PWM) hoạt động nhờ xung đếm cung cấp bởi
các bộ đếm TIMER1 và TIMER2
- Ở chế độ PWM,tín hiệu sau khi điều chế đưa ra các Pin CCP
- Thiết lập chu kì xung đưa giá trị vào PR2
- Thiết lập độ rộng xung đưa giá trị vào CCPRL
- Điều khiển Pin CCP output bằng cách Clear
bit tương ứng trong thanh ghi TRISC<2>
- Thiết lập giá trị bộ chia tần số
- Thiết lập giá trị bộ chia tần số
c) Thanh ghi OPTION_REG
-Bit 7_RBPU (Port B Pull up enable bit):bit kích hoạt hay tắt điện trở
nội kéo lên của Port B
PHATTRIENCONGNGHE.COM
Trang 12
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID
1 = kích hoạt
0 = vô hiệu
-Bit 6_INTEDG (interrup edge sellect bit):Nếu có sự kiện ngắt xảy
ra,bit này sẽ
xem xét tín hiệu thay đổi cạnh lên hay cạnh xuống
1 = cạnh lên
0 = cạnh xuống
-Bit 5_ T0CS(TMR0 clock source sellect bit):xác định xung kích bên
trong hay bên ngoài bộ dao động.
1 = xung bên ngoài
0 = xung bên trong
-Bit 4_T0SE (TMR0 source edge sellect bit):nếu sử dụng xung bên
ngoài thi TMR0 tăng lên bằng xung cạnh lên hay cạnh xuống
1 = cạnh xuống
0 = cạnh lên
-Bit 3_PSA: xác định tỉ lệ giữa WDT và TMR0
1 = tỉ lệ gán cho WDT
0 = tỉ lệ gán cho TMR0
-Bit 2,1,0_SP2,SP1,SP1:xác định thời gian mỗi lần tăng của WDT hay
TMR0
7.Xử lý ADC
PHATTRIENCONGNGHE.COM
Trang 13
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID
-PIC16F877 có 8 chân xử lý ADC với nhiều cách thức khác nhau. Để dùng ADC
bạn phải khai báo #DEVICE cho biết dùng ADC mấy bit ( tùy chip hỗ trợ
thường là 8 hay 10 bit).
Các hàm phục vụ ADC:
a.Setup_ADC (mode):
-Dùng xác định cách thức hoạt động bộ biến đổi ADC. Tham số
mode tùy thuộc file thiết bị (*.h), có tên tương ứng tên chip bạn đang dùng, nằm
trong thư mục DEVICES của CCS. Muốn biết có bao nhiêu tham số để dùng cho
chip đó bạn mở file tương ứng đọc, tìm tới chỗ các dịnh nghĩa cho chức năng
ADC dùng cho chip đó tương ứng với hàm này. Sau đó là các giá trị mode của
16F877.
b. Setup_ADC_port (value)
-Xác định chân lấy tín hiệu analog và điện thế chuẩn sử dụng. Tùy
thuộc bố trí chân trên chip số chân và chân nào dùng cho ADC và số chức năng
ADC mỗi chip mà value có thể có những giá trị khác nhau.
c. Set_ADC_channel:
-Chọn chân để độc vào giá trị analog bằng lệnh read_adc(). Giá trị
channel tùy số chân chức năng ADC mỗi chip, với 16F877 channel có gia trị từ
0-7:
0-chân A0
1-chân A1
2-chân A2
3-chân A3
4-chân A5
5-chân E0
6-chân E1
7-chân E2
PHATTRIENCONGNGHE.COM
Trang 14
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID
-Hàm không trả về trị nên delay 10us sau hàm này rồi mới dùng
ham read_adc để đảm bảo kết quả chính xác. Hàm chỉ hoạt động
với A/D phần cứng trên chip.
d.read_adc(mode):
-Dùng đọc giá trị ADC từ thanh ghi chứa kết quả biến đổi ADC. Nếu giá
trị ADC là 8bit như khai báo trong #DEVICE giá trị trả về của hàm là 8 bit,
ngược lại là 16 bit nếu khai báo #DEVICE sử dụng ADC 10 bit trở lên.
Khi dùng hàm này nó sẽ lấy giá trị ADC từ chân bạn chọn trong hàm
set_adc_channel() trước đó.
II. Cảm biến nhiệt LM35
Đây là cảm biến nhiệt được tích hợp chính xác cao của hãng National
Semiconductor. Điện áp đầu ra của nó tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ
Celsius. Điện áp ngõ ra thay đổi 10mv (điện áp bước) cho mỗi sự thay đổi 10C.
Chúng không yêu cầu cân chỉnh ngoài.
•
- Chân 1: V+
•
- Chân 2: Vout
•
- Chân 3: V-
PHATTRIENCONGNGHE.COM
Trang 15
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID
III. LCD
Chân
Ký hiệu
I/O
Mô tả
1
Vss(GND)
-
Đất
2
Vcc
-
Nguồn dương 5V
3
VEE(V0)
-
Nguồn cấp điều khiển
4
RS
I
RS=0 chọn thanh ghi lệnh, RS=1
chọn thanh dữ liệu
5
R/W
I
R/W=1 đọc dữ liệu,
R/W=0 ghi dữ liệu
6
E
7
D0..D7
I/O
Cho phép
I/O Các bit dữ liệu
PHATTRIENCONGNGHE.COM
Trang 16
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID
1.Chân Vcc, Vss, VEE :
Cấp nguồn dương 5V,đất tương ứng và điều khiển độ tương phản của LCD.
2. Chân chọn thanh ghi RS: (register select)
RS=0 thanh ghi mà lệnh được chọn để cho phép người dùng gửi một lệnh
chẳng hạn như xóa màng hình,đưa con trỏ về đầu dòng v.v… RS=1 thì thanh ghi
dữ liệu được chọn cho phép người dùng gởi dữ liệu cần hiển thị trên LCD.
3. Chân đọc ghi (R/W):
Đầu vào đọc/ghi cho phép người dùng ghi thông tin lên LCD khi R/W=0 hoặc
đọc thông tin từ nó khi R/W=1.
4. Chân cho phép E (Enable):
Chân cho phép E được sử dụng bởi LCD để chốt thông tin hiện hữu trên chân
dữ liệu của nó. Khi dữ liệu được cấp đến chân dữ liệu thì một xung mức cao
xuống thấp được áp đến chân này để LCD chốt dữ liệu trên các chân dữ liệu.
Xung này phải rộng tối thiểu là 450ns.
5. Chân D0..D7:
Đây là 8 chân dữ liệu 8bit. Được dùng để gởi thông tin lên LCD hoặc đọc nội
dung của các thanh ghi trong LCD.
Để hiển thị các chữ cái và các con số thì bật RS=1.
Cũng có các lệnh mà có thể gửi đến LCD để xóa màng hình hoặc đưa con trỏ
về đầu dòng hoặc nhap nháy con trỏ.
Chúng ta có thể sử dụng RS=0 để kiểm tra bit cờ bận để xem LCD có sẵng
sàng nhận thông tin. Cờ bận là D7 và có thể đọc khi R/W=1 và RS=0 như sau:
Nếu R/W=1,RS=0 khi D7=1(cờ bận 1) thì LCD bận bởi các công việc bên
trong và sẽ không nhận bất kỳ thông tin mới nào. Lưu ý chúng ta nên kiểm tra cờ
bận trước khi ghi thông tin mới nào lên LCD.
PHATTRIENCONGNGHE.COM
Trang 17
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID
IV.Phương pháp điều khiển PID
Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ, những
phương pháp điều khiển thông thường không đủ khả năng đáp ứng những yêu
cầu ngày càng khắt khe hơn của những ứng dụng. Người ta bắt đầu áp dụng
nhiều giải thuật điều khiển khác nhau như giải thuật PID, Fuzzy logic (điều khiển
mờ), mạng nơ ron… và đã thu được những kết quả khả quan.
1. Lý thuyết điều khiển tự động
Lý thuyết điều khiển tự động có thể phân thành 3 loại theo lịch sử phát
triển của nó, bao gồm: điều khiển kinh điển, điều khiển hiện đại và điều khiển
thông minh.
a. Điều khiển kinh điển (classical control)
Lý thuyết điều khiển kinh điển mô tả hệ thống trong miền tần số (phép
biến đổi Fouier) và mặt phẳng s (phép biến đổi Laplace). Lý thuyết này chủ yếu
áp dụng cho hệ tuyến tính bất biến theo thời gian, mặc dù cũng có một số mở
rộng để áp dụng cho hệ phi tuyến. Lý thuyết điều khiển kinh điển thích hợp để
thiết kế hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra, rất khó áp dụng cho những hệ thống
nhiều ngõ ra và các hệ thống biến đổi theo thời gian.
Các phương pháp phân tích và thiết kế trong lý thuyết điều khiển kinh
điển gồm có phương pháp Nyquist, phương pháp Bode và phương pháp quỹ đạo
nghiệm số. Theo phương pháp Nyquist và Bode, cần mô tả hệ thống dưới dạng
đáp ứng tần số (đáp ứng biên độ và pha). Trong phương pháp quỹ đạo nghiệm số,
hệ thống cần được mô tả theo hàm truyền. Hàm truyền cũng có thể tính được từ
đáp ứng tần số. Việc mô tả chính xác đặc tính động học bên trong hệ thống là
không cần thiết với các phương pháp thiết kế kinh điển, chỉ có quan hệ giữa ngõ
vào và ngõ ra là quan trọng.
PHATTRIENCONGNGHE.COM
Trang 18
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID
Các khâu hiệu chỉnh đơn giản như hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ (PID), hiệu
chỉnh sớm trễ pha… thường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển kinh
điển. Ảnh hưởng của những khâu hiệu chỉnh này đến biểu đồ Nyquist, biểu đồ
Bode và quỹ đạo nghiệm số có thể thấy dễ dàng, nhờ đó có thể dễ dàng lựa chọn
được khâu hiệu chỉnh thích hợp.
b.Điều khiển hiện đại (modern control)
Kỹ thuật thiết kế hệ thống hiện đại dựa trên miền thời gian. Mô tả toán
học dùng để phân tích và thiết kế hệ thống là phương trình trạng thái. Mô hình
không gian trạng thái có ưu điểm là mô tả được đặc tính động học bên trong hệ
thống (các biến trạng thái) và có thể dễ dàng áp dụng cho hệ thống biến đổi theo
thời gian.
Bộ điều khiển được sử dụng chủ yếu trong thiết kế hệ thống hiện đại là bộ
điều khiển hồi tiếp trạng thái. Tùy theo cách tính vector hồi tiếp trạng thái mà ta
có phương pháp phân bố cực, bộ điều khiển tối ưu, điều khiển bền vững…
Với sự phát triển của lý thuyết điều khiển số và hệ thống rời rạc, lý thuyết
điều khiển hiện đại rất thích hợp để thiết kế các bộ điều khiển là các chương trình
phần mềm chạy trên vi xử lý và máy tính số. Điều này cho phép thực thi các bộ
điều khiển có đặc tính động học phức tạp hơn cũng như hiệu quả hơn so với các
bộ điều khiển đơn giản như PID hay sớm trễ pha trong lý thuyết điều khiển kinh
điển.
c.Điều khiển thông minh (intelligent control)
Điều khiển kinh điển và điều khiển hiện đại gọi chung là điều khiển thông
thường (conventional control), có khuyết điểm là để thiết kế được hệ thống điều
khiển cần phải biết mô hình toán học của đối tượng. Trong khi đó, thực tế có
những đối tượng điều khiển rất phức tạp, rất khó hoặc không thể xác định được
mô hình toán học. Các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển mờ,
PHATTRIENCONGNGHE.COM
Trang 19
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID
mạng nơ ron nhân tạo, thuật toán di truyền mô phỏng / bắt chước các hệ thống
thông minh sinh học, về nguyên tắc không cần dùng mô hình toán học để thiết kế
hệ thống, do đó có khả năng ứng dụng thực tế rất lớn.
Khuyết điểm của bộ điều khiển mờ là quá trình thiết kế mang tính thử sai,
dựa vào kinh nghiệm của chuyên gia. Nhờ kết hợp logic mờ với mạng nơ ron
nhân tạo hay thuật toán di truyền mà thông số bộ điều khiển mờ có thể thay đổi
thông qua quá trình học hay quá trình tiến hóa, nhờ vậy khắc phục được những
khuyết điểm thử sai. Hiện nay, các bộ điều khiển thông thường kết hợp với các
kỹ thuật điều khiển thông minh tạo nên các bộ điều khiển lai điều khiển các hệ
thống phức tạp với chất lượng rất tốt.
2. Lý thuyết điều khiển PID
Các bộ điều khiển số ngày nay rất thông dụng trong hệ thống điều khiển
công nghiệp. Những đặc trưng nổi bật của vi xử lý như tự hiệu chỉnh, điều khiển
đa biến và hệ chuyên gia cùng khả năng giao tiếp bus và mạng cục bộ đưa đến
việc nó được sử dụng ngày càng nhiều trong các bộ điều khiển số. Bộ điều khiển
số dùng trong hệ thống điều khiển vòng kín gồm các chế độ điều khiển tỉ lệ P,
điều khiển tích phân tỉ lệ PI, vi phân tỉ lệ PD, vi tích phân tỉ lệ PID.
Đối với hệ thống dự trữ độ ổn định lớn, ta chỉ cần tăng hệ số khuếch đại
của luật điều khiển tỉ lệ P.
Luật điều khiển tích phân còn gọi là điều khiển chậm sau vì sai số điều
khiển được tích lũy cho đến khi đủ lớn thì quyết định điều khiển mới được đưa
ra. Hệ thống sẽ không có sai lệch tĩnh khi tín hiệu vào là hàm bậc thang đơn vị và
hằng số thời gian tích phân TI được chọn khác 0.
Tăng khả năng tác động nhanh của hệ, giảm bớt thời gian quá điều chỉnh
bằng cách thay đổi hằng số thời gian của luật điều khiển vi phân TD còn được gọi
là điều khiển vượt trước.
PHATTRIENCONGNGHE.COM
Trang 20
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID
Bộ điều khiển PID là một phần tử không thể thiếu trong các quá trình tự
động không chế nhiệt độ, mức, tốc độ… Ngay cả khi lý thuyết điều khiển hiện
đại được sử dụng, thì sự kết hợp giữa các phương pháp điều khiển hiện đại và bộ
điều khiển PID kinh điển vẫn đem lại những hiệu quả bất ngờ.
Đối với những hệ thống thay đổi theo thời gian, những thông số của bộ
điều khiển PID phải được hiệu chỉnh thường xuyên cho phù hợp với những thay
đổi không biết trước của hệ thống cũng như môi trường ngoài. Đáp ứng được
điều đó thì mới có thể đảm bảo được những yêu cầu làm việc của hệ thống. Nếu
như ta tự động hóa được việc thay đổi những thông số này, bộ điều khiển PID sẽ
là bộ điều khiển bền vững với mọi thay đổi của hệ thống cũng như những tác
động của môi trường bên ngoài.
Các khâu trong bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID bao gồm các khâu tỉ lệ, vi phân và tích phân tạo thành
các bộ điều khiển tỉ lệ P, bộ điều khiển vi phân tỉ lệ PD, bộ điều khiển tích phân
tỉ lệ PI và bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ PID.
o Bộ điều khiển tỉ lệ P
Bộ điều khiển loại này tạo tín hiệu ra điều khiển u(t) tỉ lệ với độ sai lệch
e(t). Càng gia tăng độ tỉ lệ thì sai số tạo ra càng nhỏ. Điều này không có nghĩa là
độ tỉ lệ (độ lợi) càng cao thì càng tốt, bởi vì khi độ lợi càng lớn thì khuynh hướng
dao động của biến điều khiển càng tăng. Do đó, cần có một sự dung hòa sao cho
độ lợi lớn mà không tạo nên sự dao động.
Chúng ta nhận thấy rằng không thể nào loại trừ hoàn toàn được sai số, mà
luôn tồn tại một khoảng sai lệch tĩnh, được gọi là độ sai lệch tỉ lệ (propotional
offset). Độ lớn của sai lệch tĩnh này tỉ lệ thuận với độ lớn của sự thay đổi trên tải
và tỉ lệ nghịch với độ lợi. Do đó, bộ điều khiển tỉ lệ chỉ được dùng khi độ lợi đủ
lớn để có thể giảm sai lệch tĩnh đến mức có thể chấp nhận được.
Tuy nhiên, ưu điểm của bộ điều khiển tỉ lệ là đáp ứng ngay tức khắc.
Không hề có một khoảng thời gian trễ nào kể từ khi xảy ra sự thay đổi trên tải
PHATTRIENCONGNGHE.COM
Trang 21
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID
cho đến khi có tín hiệu ra điều khiển. Vì vậy, có thể dùng bộ điều khiển tỉ lệ cho
những quá trình có độ quán tính nhỏ.
Phương trình trong miền thời gian
u(t) = KP .e(t)
Trong đó:
KP gọi là hệ số khuếch đại
e(t) là độ sai lệch
Hàm truyền: GP (s) = KP
o Điều khiển tích phân I
Bộ điều khiển tích phân tạo tín hiệu điều khiển bằng một lượng tỉ lệ với
tích phân sai lệch của biến điều khiển. Vì thế, nếu vẫn còn sai số thì bộ điều
khiển vẫn còn làm việc; và tạo sự thay đổi của tín hiệu ra tỉ lệ với tích phân độ
lệch. Hình bên dưới minh họa mối liên hệ giữa sai lệch và tín hiệu ra của hệ
thống.
Sai lệch và đáp ứng của bộ điều khiển tích phân
Bộ điều khiển tích phân thường dùng kết hợp với bộ điều khiển tỉ lệ nhằm
triệt tiêu sai lệch tĩnh. Phương trình trong miền thời gian của bộ điều khiển tích
phân được biểu diễn như sau:
PHATTRIENCONGNGHE.COM
Trang 22
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID
u(t ) = K ∫ e(t )dt
I
Hàm truyền:
G ( s) =
Trong đó:
1
U ( s) K I
=
=
E (s) s T s
I.
TI =
1
gọi là hằng số thời gian tích phân
KI
o Bộ điều khiển vi phân D
Bộ điều khiển vi phân tạo tín hiệu ra điều khiển dựa trên tốc độ thay đổi
của sai lệch. Sự thay đổi này có thể là do giá trị biến điều khiển thay đổi, thay đổi
điểm đặt hoặc cả hai. Điều khiển vi phân chống lại sai lệch bằng cách xem nó
thay đổi nhanh như thế nào, và dùng tốc độ thay đổi đó để tạo tín hiệu điều khiển
nhằm làm giảm sai lệch. Hình bên dưới minh họa đáp ứng của bộ điều khiển vi
phân theo độ sai lệch của biến điều khiển.
Sai lệch và đáp ứng của bộ điều khiển vi phân
Trong mỗi khoảng thời gian, đầu ra của bộ điều khiển vi phân tỉ lệ với độ
dốc (tốc độ thay đổi) của tín hiệu sai lệch. Dựa vào đồ thị ta có thể nhận định
rằng, không bao giớ có bộ điều khiển vi phân lý tưởng trong thực tế. Khi hàm
PHATTRIENCONGNGHE.COM
Trang 23
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID
nấc xuất hiện, độ dốc của tín hiệu ra là vô cùng. Điều này có nghĩa là đáp ứng
của bộ điều khiển vi phân lý tưởng phải thay đổi với độ lớn là vô cùng. Trong
thực tế, tốc độ thay đổi của bộ điều khiển có một giới hạn của nó. Đây lại là một
ưu điểm bởi vì nó sẽ làm giảm độ điều khiển với những loại nhiễu thường gặp
trong thực tế (đó cũng là lý do mà nếu có bộ điều khiển lý tưởng thì cũng không
nên dùng).
Tuy nhiên, bộ điều khiển vi phân không bao giờ được sử dụng đơn lẻ.
Nguyên nhân là đầu ra của bộ điều khiển chỉ thay đổi khi sai lệch thay đổi. Nghĩa
là, nếu sai lệch lớn mà không thay đổi thì bộ điều khiển vi phân cũng không làm
gì cả, chấp nhận sai lệch đó. Do đó, nó thường được dùng với bộ điều khiển tỉ lệ
P hoặc bộ điều khiển tích phân tỉ lệ PI.
Phương trình trong miền thời gian được mô tả như bên dưới:
y (t ) = K D
de(t )
dt
Hàm truyền:G(s) = KD .s
o Bộ điều khiển tích phân tỉ lệ PI
Bộ điều khiển tích phân tỉ lệ PI là sự kết hợp giữa bộ điều khiển tỉ lệ và
bộ điều khiển tích phân nhằm mục đích triệt tiêu sai lệch tỉ lệ như đã nói ở trên.
Trong khi bộ điều khiển tỉ lệ tạo tín hiệu ra tỉ lệ với độ sai lệch thì bộ điều khiển
vi phân tạo tín hiệu ra tỉ lệ với tích phân của sai lệch. Do đặc tính của bộ điều
khiển tích phân, sai lệch tĩnh của hệ thống sẽ được loại trừ. Nghịch đảo của KI
chính là khoảng thời gian cần thiết để bộ điều khiển tích phân tạo ra sự thay đổi ở
đầu ra bằng với sự thay đổi tạo ra bởi bộ điều khiển tỉ lệ. Hình bên dưới minh
họa đáp ứng của bộ điều khiển tích phân tỉ lệ theo sai số của biến điều khiển.
PHATTRIENCONGNGHE.COM
Trang 24
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NHIỆT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PID
Đáp ứng của bộ điều khiển tích phân tỉ lệ PI
Bộ điều khiển tỉ lệ tích phân có ưu điểm triệt tiêu sai lệch nhờ thêm bộ
điều khiển tích phân vào bộ điều khiển tỉ lệ. Tuy nhiên, việc thêm khâu tích phân
vào cũng có nhược điểm làm gia tăng khuynh hướng dao động của biến điều
khiển. Do đó, cần phải giảm hệ số tỉ lệ đi, điều đó làm hệ thống đáp ứng chậm
hơn so với ban đầu. Nếu quá trình có độ trễ lớn, tín hiệu sai lệch nhận được sẽ
không phản ánh đúng độ sai lệch thật sự. Nguyên nhân là do độ trễ này sẽ làm
cho đáp ứng của hệ thống không còn đúng với sai lệch hiện tại, nghĩa là hệ làm
việc trên tín hiệu cũ.
Phương trình trong miền thời gian:
y(t ) = K .e(t ) + K .∫0t e(t ).dt
P
I
Hàm truyền:
1+T .s
K
N = K (1+ 1 )
G ( s) = K + I = K
P s
P T .s
P sT
.
N
N
o Bộ điều khiển vi phân tỉ lệ PD
Bộ điều khiển vi phân thường được kết hợp với bộ điều khiển tỉ lệ nhằm
làm giảm khuynh hướng dao động và cho phép nâng cao độ lợi. Trong đó, bộ
PHATTRIENCONGNGHE.COM
Trang 25
